DE19913721B4

DE19913721B4 - Werkstückspindelantriebe für Mehrspindeldrehautomaten

Info

Publication number: DE19913721B4
Application number: DE1999113721
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Drees; Berthold Krüger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2019-03-27
Also published as: DE19913721A1

Abstract

Mehrspindeldrehautomaten, bei denen mehrere Arbeitsspindeln (10, 20) in einer Trommel zentrisch um die Mitte angeordnet sind und von mehreren mechanisch unabhängig anzutreibenden zentralen Sonnenrädern (1, 2) anzutreiben sind, wobei jede Spindel (10, 20) an unterschiedliche Sonnenräder (1, 2) anzukuppeln ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Sonnenräder (1, 2) zum Kuppeln der Spindelantriebe kurzzeitig winkelsynchron anzutreiben sind, um damit einen formschlüssigen Antriebswechsel für jede beliebige Spindel (10, 20) zu ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrspindeldrehautomaten nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Stand der Technik:

Die Verwendung von Mehrspindeldrehautomaten zur Bearbeitung von Futterteilen machte es notwendig, die Spindel in der Beladeposition vom zentralen Antrieb zu trennen und stillzusetzen ( DE 2725798 B1 ). Die hierfür entwickelten Reibkupplungen auf den Spindeln wurden ab Mitte des Jahrhunderts für die Einleitung einer 2. Drehzahl ungleich Null verwandt (2). Statt die Spindel (10 oder 20) reibend mit einem stillstehenden Flansch zu verbinden wurden 2 Räder (11, 12 und 21, 22) auf jeder Spindel (10 und 20) gelagert, die ständig mit ihrem jeweiligen Sonnenrad (1 oder 2) kämmten. Über Reibkupplungen (13, 14 oder 23, 24) wurde die Spindel entweder mit dem 1. Spindelrad oder dem 2. Spindelrad verbunden ( DE 1502017 A ) (im folgenden "Reibvariante" genannt). Die unterschiedlichen Drehzahlen der beiden Spindelräder wurden durch verschiedene konstruktive Wege erreicht:

1. Antrieb über eine zentrale Welle mit verschieden großen Sonnenrädern
2. Antrieb über eine zentrale Welle mit einem Planetengetriebe als Übersetzung für das 2. Sonnenrad
3. getrennter Antrieb der beiden Sonnenräder über 2 zentrale Wellen.

Im Fall 3 besteht die Möglichkeit, das Drehzahlverhältnis zwischen den beiden Spindeldrehzahlen leicht zu verändern.

Die Reibvariante wurde sukzessiv für eine größere Anzahl von Drehzahlen ausgelegt. Gemeinsam waren bei all diesen Lösungen Reibkupplungen, die zum einen Wärme produzierten – die sie auf die Spindel leiteten – und zum anderen einem Verschleiß unterlagen, der mit steigenden Drehzahlen überproportional anstieg. Ein weiteres Problem stellte die undefinierte Lage der Spindeln zum Antrieb beziehungsweise zur Abbremseinheit dar. Sollte die Spindel in einer genauer Winkelstellung angehalten werden, so bedurfte es eines zusätzlichen Ortungsmechanismus. Auch das winkelsynchrone Laufen mit einer Gegenspindel war ohne eine zusätzliche Antriebsgruppe nicht machbar.

Die Nachteile der Spindelerwärmung für die Lagegenauigkeit der Spindellager und damit für die Genauigkeit der Werkstücke führte zu umfangreichen Versuchen, Wärme von den Spindeln fernzuhalten oder sie möglichst effektiv abzuführen. Die wirtschaftlichste Lösung war die Vermeidung von Wärme im Spindelbereich.

In den 80er Jahren wurde zur Erhöhung der Flexibilität jede Spindel mit einem eigenen Motor (15 und 25) auf der Spindel versehen (im folgenden "mitschaltende Einzelantriebsvariante" genannt (3)) ( DE 3428861 A1 ). Hierdurch konnte jeder Spindel in jeder Lage eine beliebige Drehzahl zugewiesen werden.

Nachteilig war, daß hier noch mehr Wärme als bei der Reibvariante an die Spindeln abgegeben wurde. Außerdem mußte jeder Motor für die maximale Last ausgelegt werden, so daß die Summe der Motorleistungen der Einzelantriebe weit über den Leistungsbedarf eines Zentralantriebs hinaus ging.

Desweiteren war eine Antriebsverbindung zwischen anzutreibenden Längswerkzeugen und der Werkstückspindel nicht möglich. Folglich mußten zusätzliche Antriebsleistungen für die rotierenden Längswerkzeuge bereit gestellt werden und im Falle benötigter Synchronizität (zum Beispiel Abgreifen mittels Gegenspindel) diese für jede betroffene Lage über die elektronische Regelung sichergestellt werden.

Für die Spindeltrommelschaltung waren die Motoren eine nicht unbedeutende zusätzliche rotatorische Masse, welche zwangsläufig zu einer Verlängerung der Schaltzeit führte. Desweiteren erwies sich das Prinzip der Stromzuführung zu den mitschaltenden Motoren als zusätzlicher Nachteil, da sich die Nebenzeiten in der Summe erhöhten, um die Kabel nach mehreren Trommelschaltungen immer wieder in ihre Ausgangsposition zurück zu drehen.

Als weitere Variation wurden Motoren achsparallel zu den Spindeln derart angeordnet, daß sie ebenfalls die Schaltung der Spindeltrommel belasteten. Dies erhöhte die Probleme der bisherigen mitschaltenden Einzelantriebsvariante um weitere rotatorische Massen und eine somit nochmals verlängerte Schaltzeit. Das Wärmeproblem konnte mit dieser Konzeption nur unwesentlich verringert werden.

Mitte der 80er Jahre wurde versucht, die Einzelantriebsvariante derart umzugestalten, daß die gravierenden Nachteile der oben beschriebenen Konzeption eliminiert wurden. Die im folgenden "stillstehende Einzelantriebsvariante" genannte Lösung ( DE 3530860 ) verzichtete ebenfalls auf einen zentralen Antrieb, ordnete aber jeder Lage einen Antriebsmotor (41 bis 44) zu (4). Da die Spindeln (10, 20) somit während des Schaltens der Spindeltrommel ohne Antrieb waren, waren die Drehbewegungen der Spindeln beim Erreichen einer neuen Lage und somit eines neuen Motors undefiniert. Folglich mußte die Verbindung zwischen Motor und Spindel über einen Kraftschluß (z. B. Kegelkupplung (18, 28)) hergestellt werden.

Vorteilhaft gegenüber der mitschaltenden Einzelantriebsvariante waren die ortsfesten Stromzuführungen. Außerdem konnten die Motoren für die in der jeweiligen Lage auftretende Maximallast ausgelegt werden, was zu einer niedrigeren Gesamtleistung führte. Die nahe an den Spindeln angeordneten Motoren führten wärmetechnisch nur durch ihre geringere Leistung zu einer Verbesserung.

Nachteilig war das undefinierte Verhalten der Spindeln während der Trommelschaltung: Aus sicherheitstechnischen Gründen mußten die Spindeln auch während der Spindeltrommelschaltung angehalten werden können. Dies erforderte die Integration einer zusätzlichen Baugruppe in dem eingeengten Bauraum. Die Reibkupplung führte außerdem zu den bei der Reibvariante beschriebenen Winkelstellungsproblemen. Mit der mitschaltenden Einzelantriebsvariante hatte diese Lösung die fehlende Antriebsverbindung mit den angetriebenen Längswerkzeugen gemeinsam.

Der Wunsch möglichst viele Spindeln auf konventionelle Art über ein zentral angetriebenes Sonnenrad anzutreiben (mit den Vorteilen der Leistungseinsparung und geringerer Wärmeprobleme) und gleichzeitig in einzelnen Spindellagen die Drehzahl frei vorgeben zu können, führte zu lagebezogenen Zusatzmotoren zum Antrieb der Spindeln ((5) im folgenden "Zusatzantriebsvariante" genannt ( DE 9419858 U1 ). Prinzipiell wurde auch hier zwischen 2 Spindelrädern gekuppelt; Spindelrad 1 (11 oder 21) kämmte mit dem Sonnenrad des Zentralantriebs (1) und war auf der Spindel gelagert, Spindelrad 2 (16 oder 26) war fest mit der Spindel verbunden und kämmte (gegebenenfalls über ein Zwischenrad) mit dem Zahnrad (31) auf dem Zusatzmotor (30). Es waren 3 Varianten denkbar, wie das mit der Trommel schaltende Spindelrad 2 und das lagebezogene Motorzahnrad in Eingriff kommen konnten:

1. Nach der Trommelschaltung fuhr das Motorzahnrad radial oder axial in die Verzahnung des Spindelrades hinein. Hierzu mußten beide Antriebsstränge winkelsynchron sein.
2. Nach der Trommelschaltung schwenkte das Motorzahnrad auf einer Kreisbahn radial in die Verzahnung des Spindelrades. Hierzu reichte ein winkelsynchroner Antrieb nicht; dem Motorzahnrad mußte eine Zusatzbewegung überlagert werden, die ein Abwälzen der Zahnräder auf der Flugbahn ermöglichte.
3. Der Motor stand fest und bei der Drehung der Spindeltrommel wurde das Motorzahnrad derart beschleunigt und gebremst, daß das Spindelrad 2 auf seiner Flugbahn sich abwälzend in die Eingriffsposition begab; auch hier mußte also dem winkelsynchronen Antrieb eine Zusatzbewegung überlagert werden.

Alle 3 Möglichkeiten brauchten einen Zeitpunkt, an dem beide Antriebsstränge im Eingriff waren, da sonst die Spindel in einem undefinierten Zustand war und die Steuerung keine Winkelsynchronizität erzeugen konnte. Nach dem Verbinden mit dem Zusatzmotor konnte das Spindelrad 1 ausgekuppelt werden. Das Lösen der Antriebsverbindung des lagebezogenen Zusatzantriebs erfolgte in umgekehrter Reihenfolge.

Eine Kupplung von Spindelrad 1 und Spindel über Formschluß (17 und 27) war sinnvoll, damit nicht durch rutschen während der Bearbeitung eine Winkelverdrehung zwischen Sonnenrad (1) und Spindel (10 oder 20) und damit Spindelrad 2 möglich war. Die Spindel befand sich also immer in einer der Steuerung bekannten Winkellage.

Gegenüber den Einzelantriebsvarianten hatte die Zusatzantriebsvariante folgende Vorteile:

– Ein zentraler Antrieb, der zur Kupplung mit rotierenden Längswerkzeugen genutzt werden konnte, war vorhanden. Der zugehörige Motor befand sich weit von den Spindeln entfernt (erheblich geringere Wärmeprobleme) und konnte leistungsmäßig geringer ausgelegt werden, als die Summe der Einzelantriebe.

Gegenüber der mitschaltenden Einzelantriebsvariante hatte die Zusatzantriebsvariante folgende Vorteile:

– Der Zusatzantriebsmotor konnte an die notwendige Leistung in der definierten Lage angepaßt werden. Somit entstand in der Nähe der Spindeln weniger Verlustwärme.
– Der oder die Zusatzmotoren wurden nicht von der Spindeltrommel mitgeschaltet, was geringere rotatorische Massen für die Spindeltrommelschaltung und somit kürzere Nebenzeiten bedeutete.

Nachteilig wirkten sich bei der Zusatzantriebsvariante gegenüber den Einzelantriebsvarianten folgende Punkte aus:

– Für die Änderung der gesondert anzutreibenden Spindellage war ein hoher Montageaufwand nötig. (Sehr nachteilig beim Umrüsten der Maschine)
– Der Regelungsaufwand (für die Synchronisierung vieler Motoren) stieg mit zunehmender Anzahl einzeln angetriebener Spindeln an.
– Eine Änderung der Drehzahl war erst nach dem Einkuppeln, also (außer bei der 3. Möglichkeit) erst einige Zeit nach dem Schalten, möglich, wohingegen die mitschaltende Einzelantriebsvariante die gesamte Nebenzeit für den Drehzahlwechsel hatte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Mehrspindeldrehautomaten zu schaffen, bei dem zumindest einige Spindeln über ein zentrales Sonnenrad, welches über eine Zentralwelle mit einem Spindelmotor und gegebenenfalls mit rotierenden Längswerkzeugen verbunden ist, und dabei eine oder mehrere Spindeln mit einer oder mehreren anderen Drehzahlen anzutreiben ist, wobei keine zusätzliche Wärme auf die Spindel zu leiten ist und die Winkellage jeder Spindel jederzeit der Steuerung über Drehgeber in den Motoren bekannt ist, und die Nebenzeit gegenüber einem Mehrspindeldrehautomaten mit nur einer Drehzahl nicht erhöht und die Nebenzeit zur Drehzahländerung zu nutzen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Mehrspindeldrehautomaten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Zwei oder mehrere gleichverzahnte Sonnenräder (1, 2), die sich beide auf der Spindeltrommelachse befinden, werden jeweils mit einem eigenen Motor (5, 6) angetrieben (1). Diese können sich weit entfernt von den Spindeln befinden und durch Hohl- (3) und Vollwelle (4) mit den Sonnenrädern verbunden sein. Die Spindelräder (11, 21) sind formschlüssig auf den Spindeln (10, 20) verschiebbar. Sie kämmen jeweils mit genau einem Sonnenrad, ausgenommen hiervon ist der Zeitpunkt des Kuppelns bei Synchronlauf der Sonnenräder.
Während der Hauptzeit (Werkzeuge im Eingriff) dreht jedes Sonnenrad mit der für die angekuppelten Spindeln optimalen Drehzahl. Mit dem Beginn der Nebenzeit bringt die elektronische Steuerung die beiden Antriebsmotore und damit die Sonnenräder in einen winkelsynchronen Zustand. Hierbei kann die Synchrondrehzahl die höchste oder die niedrigste Bearbeitungsdrehzahl oder eine beliebige Zwischendrehzahl sein. Winkelsynchronizität bedeutet, daß die Sonnenräder derart mit gleicher Drehzahl drehen, daß die Zahnmitten genau voreinander stehen. Dieser Zustand wird spätestens erreicht, wenn der Werkzeugrückzug beendet ist und die Spindeltrommelschaltung beginnt.
Die nun folgende Trommelschaltung kann somit genutzt werden, die Spindelräder durch axiales Verschieben mit einem anderen Sonnenrad in Eingriff zu bringen. Hierbei ist es notwendig, daß das zu verschiebende Rad zeitweise mit zwei Sonnenrädern kämmt. Dadurch wird eine ständige Verbindung zwischen Antrieb und Spindel sichergestellt.
Nach Abschluß der Verschiebung kämmt jedes Spindelrad mit genau einem Sonnenrad. Die verbleibende Nebenzeit (Rest der Trommelschaltung, Anhub der Werkzeuge) steht für die Beschleunigung der Motoren, Sonnenräder und Spindeln zur Verfügung.
Dieser Antrieb ermöglicht somit auf einfache Weise den Spindeln lageabhängig einen Motor und damit eine Drehzahl zuzuordnen und diese Zuordnung einfach zu verändern (leichtes Umrüsten). Die Anzahl der verschiedenen Drehzahlen ist durch die Anzahl der Sonnenräder festgelegt. Hier gibt es keine prinzipielle Obergrenze.
Durch diesen Spindelantrieb wird erstmals ein Mehrspindeldrehautomat mit mehreren Spindeldrehzahlen ohne zusätzliche Wärmequelle an oder auf den Spindeln möglich. Hieraus resultieren Verbesserungen der Lagegenauigkeit der Spindellagerung und damit Qualitätsverbesserungen der Werkstücke. Theoretisch läßt diese Antriebsart eine lagebezogene Auslegung der Spindelmotoren zu. Desweiteren ermöglicht diese Ausführung eine Antriebsverbindung zwischen den rotierenden Längswerkzeugen und den Spindeln. Hieraus resultiert eine Einsparung im Bereich der benötigten Leistung und der Verlustleistung. Aufgrund der geringen rotatorischen Massen der Spindeltrommel sowie der Nutzung der Nebenzeit zum Drehzahlwechsel ist eine Nebenzeit in der Größenordnung einer Maschine ohne Drehzahlwechsel realisierbar.
Eine Variante zeigt 7. Hier gibt es eine feste Zuordnung von Spindel- und Sonnenrädern (18, 28 mit 2 und 11, 21 mit 1). Die Spindelräder sind auf der Spindel gelagert und werden formschlüssig mit ihr gekuppelt (17, 27). Auch hier bedarf es zum Kuppeln einer Winkelsynchronizität, damit die Spindel kurzzeitig mit beiden Antriebssträngen verbunden sein kann und sich nie in einer undefinierten Lage befindet.

Claims

Mehrspindeldrehautomaten, bei denen mehrere Arbeitsspindeln (10, 20) in einer Trommel zentrisch um die Mitte angeordnet sind und von mehreren mechanisch unabhängig anzutreibenden zentralen Sonnenrädern (1, 2) anzutreiben sind, wobei jede Spindel (10, 20) an unterschiedliche Sonnenräder (1, 2) anzukuppeln ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Sonnenräder (1, 2) zum Kuppeln der Spindelantriebe kurzzeitig winkelsynchron anzutreiben sind, um damit einen formschlüssigen Antriebswechsel für jede beliebige Spindel (10, 20) zu ermöglichen.
Mehrspindeldrehautomaten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spindel (10, 20) nur ein verschiebbar angeordnetes Spindelrad (11, 21) besitzt, welches mit den verschiedenen Sonnenrädern (1, 2) kämmt.
Mehrspindeldrehautomat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über eine zusätzliche Klemmvorrichtung (19), die nach Spindelstillsetzung wirksam ist, eine stillstehende Spindel, unabhängig vom Zahnspiel, gegen Drehschwingungen geschützt ist.
Mehrspindeldrehautomat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Spindelenden ein oder mehrere Spindelmotoren (6) installiert sind.